数字电子技术课件第七章数模与模数转换电路

数字电子技术课件第七章数模与模数转换电路第1页，共32页，2023年，2月20日，星期五概述一、数/模和模/数器是模拟、数字系统间的桥梁模

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数（A

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D）转换:AnalogtoDigitalConverter（ADC）数

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模（D

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A）转换:DigitaltoAnalogConverter（DAC）数字计算机模拟系统A/DD/A二进制二进制线性线性存储分析控制物理生物化学第2页，共32页，2023年，2月20日，星期五二、常见数模、模数转换器应用系统举例压力传感器温度传感器流量传感器四路模拟开关数字控制计算机DAC……模拟控制器模拟控制器液位传感器DAC…DAC…模拟控制器模拟控制器生产控制对象

DACADC物理量二进制信号模拟信号三、A

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D、D

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A转换器的精度和速度精度保证转换的准确性速度保证适时控制第3页，共32页，2023年，2月20日，星期五7.1D/A转换器（DAC）7.1.1D/A转换的基本要求1.D

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A转换思路…d0d1dn-1DACuO或iOn

位二进制如(1101)2可利用运算放大器实现运算2.转换特性DuO/V7654321001010011100101110111一、输入、输出关系框图第4页，共32页，2023年，2月20日，星期五二、D/A转换的电路组成RRR2R2R2R2RUREFS0S1S2d0d0d1d2d1d2电子开关电阻网络求和运放当d2d1d0=100,II

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2I

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4I

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8I/2I=UREF/RuO三、工作原理第5页，共32页，2023年，2月20日，星期五当d2d1d0=110,IRRR2R2R2R2RUREFuOI

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2I

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4I

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8第6页，共32页，2023年，2月20日，星期五当d2d1d0=111,IRRR2R2R2R2RUREFuOI

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2I

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4I

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8表达的一般形式第7页，共32页，2023年，2月20日，星期五四、输入为n位二进制数时的表达式当D=dn-1dn-2

…d1

d0

Ku—转换比例系数第8页，共32页，2023年，2月20日，星期五7.1.2DAC的转换精度、速度和主要参数一、转换精度指D/A转换器模拟输出产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比，也可用输入的位数表示。为实际输出与理想输出模拟电压间的最大误差。ULSBUFSR=12n–1分辨率=LSB

—LeastSignificantBit2.转换误差可用占输出电压满刻度值的百分数表示或可用最低有效位（LSB）的倍数表示。如:½（LSB）=输入为0…01时输出模拟电压的一半。1.分辨率（Resolution）FSR

—FullScaleRange第9页，共32页，2023年，2月20日，星期五二、转换速度1.建立时间tsts

为在大信号工作下（输入由全0变为全1，或由全1变为全0）,

输出电压达到某一规定值所需时间

。不包含UREF和运放的单片DAC最短ts<0.1s；包含UREF和运放的单片DAC最短t

s<1.5s。2.转换速率SR

用大信号工作状态下模拟电压的变化率表示TTR=ts+

tr（tf）上升时间下降时间完成一次转换所需时间TTR（max）=ts+UO（max）/SR第10页，共32页，2023年，2月20日，星期五三、主要参数D/A转换器5G7520的主要参数参数名称单位参数值分辨率位10非线性度全量程的%≤0.05%转换时间ns≤500UREFV–25+25电源电压V515功耗mW

20温度系数电源FSR10–6/ºC50增益FSR10–6/ºC10非线性FSR10–6/ºC2第11页，共32页，2023年，2月20日，星期五四、集成DAC芯片举例1.5G7520

的电路结构UREFIO1IO2d45G752012345678161514131211109VDDd3d2d1d0d5d6d7d8d9RfGNDuORIO1参考电压源，可正可负。第12页，共32页，2023年，2月20日，星期五2.应用电路单极性输出uOUREFIO1IO25G7520223416151413VDDd0

d9Rf1–VEERRW1RW2RW3

输入从00000000001111111111变化时，uO从0（1023

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1024）UREF输出与输入的关系数码输入模拟输出d9d8d7d6d5d4d3d2d1d0uO1111111111

1111111110…00000000010000000000–

（1023/1024）UREF–

（1022/1024）UREF

…–

（1/1024）UREF0UREF>0，uO<0第13页，共32页，2023年，2月20日，星期五3.分辨率单极性输出：分辨率分辨率

=5G7520为10位D

/

A转换器，分辨率

=当UREF

=

10V时，最小输出电压

uO

=9.76mV双极性输出：对于5G7520分辨率=当UREF

=

10V时，最小输出电压uO=19.6mV第14页，共32页，2023年，2月20日，星期五7.2A/D转换器（ADC）7.2.1A/D转换的一般步骤和取样定理一、模拟量到数字量的转换过程uI(t)CADC的量化编码电路dn-1d1d0…uI(t)S模拟量数字量量化编码取样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。保持：保持取样信号,使有充分时间将其变为数字信号。取样保持（S

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H—Sample

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Hold）第15页，共32页，2023年，2月20日，星期五二、取样定理当满足fs

≥

2fimax时,

取样信号可恢复原信号。fs

—取样频率。fimax

—

信号的最高频率分量。

tOusfOfs–fimax

fimaxuI

tO第16页，共32页，2023年，2月20日，星期五三、量化和编码量化单位数字信号最低位LSB所对应的模拟信号大小，用表示（即1

）。量化把取样后的保持信号化为量化单位的整数倍。量化误差因模拟电压不一定能被整除而引起的误差。编码把量化的数值用二进制代码表示。第17页，共32页，2023年，2月20日，星期五划分量化电平的两种方法01V1/82/83/84/85/86/87/8000001010011100101110111模拟电平二进制代码代表的模拟电平0=01=1/82=2/83=3/84=4/85=5/86=6/87=(7/

8)V1V1/153/155/157/159/1511/1513/150000010100111001011101110模拟电平二进制代码代表的模拟电平0=01=2/152=4/153=6/154=8/155=10/156=12/157=(14/15)V最大量化误差=

=

(1

/

8)V=

/

2=(1/15)V第18页，共32页，2023年，2月20日，星期五7.2.2取样-保持电路一、电路组成及工作原理当uL

为高电平：RfChRiuIuOuLTRf=RiT

导通，Ch

充电至：uO=uI=uC当uL为低电平：T截止，Ch

基本不放电。uO

保持矛盾：为使Ch

充电快，Ri越小越好；为使电路输入电阻高，Ri越大越好。第19页，共32页，2023年，2月20日，星期五二、改进电路(LF198)及工作原理R2ChR1uIuOuLuO300

30

kD1D2S当uL=1，

S

闭合

uO=uO=uI

，uC

=uI

当uL=0，

S

断开

uO

保持D1、D2的作用：限制uO

在uI+uD以内，起保护作用。6

2145387uOuIuLChLF198第20页，共32页，2023年，2月20日，星期五一、基本工作原理电路7.2.3逐次渐近型A/D转换器D/AuI逐次渐近寄存器比较器参考电源时钟信号MSBLSBMSBLSB并行数字输出转换控制信号3.2V10008V101004V00102V000113V00011第21页，共32页，2023年，2月20日，星期五读出控制控制逻辑电路逐次渐近寄存器比较器

二、转换过程举例3位D/AQ1S1Rd0+CPd1d2≥1Q1S1RFFBFFC≥1d0d1d2uIuOuCC5位环行移位寄存器Q1Q2

Q3Q4Q5QFFA1S1R/2输出偏移第22页，共32页，2023年，2月20日，星期五Q

n+111100100功能RSQ

n10不用保持置1置0不许CP12345Q1

Q2Q3

Q4

Q5QA

QB

QCuI/VuO/VuO/VuCd2d1

d000001

0005.90–0.5000010

00010043.500000100011065.50000001

0011176.510000001011065.5000000001

11065.50110第23页，共32页，2023年，2月20日，星期五7.2.4双积分型A/D转换器

一、电路组成和工作原理CO＝

1(uo≤0)

0(uo>0)S2CS1uI逻辑控制门C定时器n位二进制计数器&dn–1d0uｏＴCPCP基准电压

<0

正向积分：对被测信号uI进行定时积分，完成一次2n进制计数。

反向积分：对基准电压积分至uｏ=0，计数结果与uI成正比。第24页，共32页，2023年，2月20日，星期五S2CS1uI逻辑控制门C定时器3位二进制计数器&d2d0uｏCP基准电压

<0电容C

放电CO＝

10000010100111001011101111以3位二进制计数器为例说明双积分过程。0000010100111000第25页，共32页，2023年，2月20日，星期五二、定量分析uI积分器输入ＵIuｏ(t)积分器输出固定时间t1t2N1ＴCPN2ＴCPt1=N1TCP=2nTCPt2=N2TCP=DTCP=UI/单位电压ＵREF第26页，共32页，2023年，2月20日，星期五&&&&&&7.2.5并联比较型A/D转换器R/2RRRRRRR/2UREFuI比较器1D1D1D1D1D1D1DCP寄存器d2d1d0编码器0000000110010010000uI0000001110010011001uI0000011110010101010uI0000111110011101011uI0001111110101101100uI0011111111100101101uI0111111101100101110uI1111111001100101111uI第27页，共32页，2023年，2月20日，星期五7.2.6A/D转换器的转换精度和转换速度一、转换精度分辨率1.用二进制或十进制位数表示(设计参数)LSB变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量

(测量参数)如最大输出电压为5

V的8位A/D的分辨率为：转换误差：表示实际输出与理想输出数字量的差别以相对误差的形式（LSB的倍数）给出。如：相对误差不大于（1/2）LSB二、转换速度并联比较型>逐次比较型>双积分型第28页，共32页，2023年，2月20日，星期五7.2.7几种A/D转换器的性能比较一、A/D类型：直接A/D反馈比较型：逐次比较型，计数型。间接A/D电压-时间变换型（V

-T）：双积分型电压-频率变换型（V-

F）并联比较型二、性能比较：优点缺点并联比较型转换速度高转换精度差逐次比较型分辨率高、误差低转换速度较快双积分型性能稳定转换精度高抗干扰能力强转换速度低第29页，共32页，2023年，2月20日，星期五第七章

小结一、D/A转换器1.功能：将输入的二进制